细胞内耦合振荡器：合成生物学中复杂动态行为的设计与应用

《Nature Communications》：Intracellularly coupled oscillators for synthetic biology

本研究针对合成生物学中实现复杂功能的需求，探索了将振荡器作为高级构建模块进行细胞内耦合的设计策略。研究人员通过计算建模，系统分析了不同耦合强度下（独立、弱/强耦合、深度耦合）振荡器系统的动态行为，预测了包括节拍现象、幅频调制、混沌及同步化等多种现象，并提出了基于振荡器的计算框架，为合成基因电路的可扩展设计提供了新范式。

　　

在合成生物学领域，工程师们一直致力于让活细胞执行特定任务，就像电子工程师设计电路控制设备一样。然而，随着所需功能变得越来越复杂，传统的基因电路设计方法显得力不从心。这就像试图用单个晶体管构建超级计算机——虽然理论上可行，但实际操作却异常困难。那么，有没有更高效的方法呢？

自然界给了我们启示：大脑中的神经元通过同步振荡处理信息，心脏细胞通过协调跳动维持生命，生物钟通过内在节律调节生理活动。这些系统都有一个共同点——它们都依赖于多个振荡器的协同工作。受此启发，科学家开始思考：能否在单个细胞内设计多个合成振荡器，并通过巧妙耦合让它们产生丰富的动态行为，从而实现更复杂的生物计算功能？

近日，瑞士洛桑大学基础微生物系的Gábor Holló、Jung Hun Park、Rose A. Evard和Yolanda Schaerli团队在《Nature Communications》上发表了一项开创性研究，系统探索了细胞内耦合振荡器在合成生物学中的潜力。他们不仅预测了这类系统可能展现的各种复杂动态行为，还提出了基于振荡器的计算新范式，为合成生物学的未来发展指明了新方向。

关键技术方法

研究人员主要利用自主开发的GRN模型er工具构建和模拟基因调控网络，使用MATLAB的SimBiology工具箱和Sundials求解器进行数值模拟。通过线性稳定性分析判断系统平衡点的稳定性，采用李雅普诺夫指数识别混沌行为，并利用小波变换和希尔伯特变换分析振荡信号的时频特性。随机模拟则通过C++实现，以评估生物噪声对系统稳定性的影响。

耦合振荡器的分类框架

研究团队首先建立了一个清晰的分类框架，根据耦合强度将细胞内耦合振荡器分为四类：独立振荡器（无相互作用）、弱耦合/强耦合振荡器（中等相互作用）以及深度耦合振荡器（无限强相互作用）。这种分类为理解不同耦合强度下系统的动态行为提供了系统框架。

对于独立振荡器，研究人员展示了如何通过简单的逻辑门（如NOR门）耦合两个频率相近的repressilator（抑制振荡器），产生了声学中常见的"节拍现象"。当两个振荡器频率略有差异时，它们的相位差会随时间周期性变化，导致输出节点出现周期性的激活和抑制。这种效应可用于高灵敏度生物传感器设计，其中一个振荡器对特定化合物敏感，另一个保持稳定，通过测量输出频率的变化来检测目标分子。

深度耦合系统的协同行为

当两个振荡器通过共享边深度耦合时，它们会表现出完全同步的行为。研究发现，通过耦合大小不同的repressilator（如三节点和五节点系统），整个系统的振荡频率会被较小的振荡器主导。这一发现表明，可以通过耦合小型快速振荡器来加速大型慢速振荡器，而无需重新设计整个电路。

令人惊讶的是，研究还发现即使是最经典的基因电路（如repressilator和toggle switch（切换开关）），在特定条件下也能表现出非典型的振荡行为。例如，当节点同步振荡时，toggle switch可以表现出快速、低振幅的Goodwin型振荡，而非其典型的双稳态行为。不同振荡模式之间的相互作用甚至可能导致混沌行为。

弱耦合与强耦合的丰富动力学

在中等耦合强度下，系统展现出最为丰富的动态行为。通过调节共享蛋白酶（PROT3）的浓度，研究人员实现了两个repressilator从不同步到完全同步的转变。随着耦合强度增加，系统首先出现高周期振荡（交替的大峰和小峰），最终在达到临界耦合强度时发生分岔，两个振荡器频率合并，实现稳定同步。

更有趣的是，通过单向耦合（一个振荡器驱动另一个），系统可以产生振幅调制（AM）和频率调制（FM）信号，甚至混沌振荡。特别是当Goodwin振荡器驱动repressilator时，系统在宽参数范围内表现出混沌行为，这为合成自治混沌振荡器提供了理想候选方案。

振荡器计算的应用前景

最具创新性的部分在于振荡器计算（OBC）的应用探索。研究团队展示了一对通过共享dCas9池耦合的CRISPRlator（CRISPR振荡器）如何实现信息处理和存储功能。在低dCas9浓度下，振荡器因资源竞争而强制同步，相位锁定效应使系统能够作为内存单元工作。

与传统基于布尔逻辑的生物计算不同，OBC将信息编码在振荡器的频率或相位中，支持多状态和非线性处理。研究表明，两个耦合的CRISPRlator可以产生三种不同的输出状态（三元系统），远优于传统二进制系统的处理能力。通过耦合更多振荡器，输出状态数量可进一步增加，为高效并行计算奠定基础。

面对生物系统中固有的噪声问题，研究发现通过增加耦合强度（如添加明确的抑制交互）可以显著增强系统的鲁棒性。即使在中度噪声条件下，系统也能保持稳定的同步状态。

研究结论与展望

这项研究为合成生物学领域引入了细胞内耦合振荡器的系统设计框架，大大扩展了可实现的动力学行为范围和可访问的架构设计空间。从基础节拍现象到复杂混沌行为，从简单逻辑运算到多状态计算，耦合振荡器展现出令人瞩目的应用潜力。

特别值得关注的是，振荡器计算范式有望突破传统布尔逻辑的局限，实现更接近生物神经元处理方式的计算模式。通过相位和频率编码信息，利用同步和耦合实现复杂计算，这种方法在处理图像分析、神经网络计算等任务时可能展现出独特优势。

尽管实验实现面临噪声、代谢负担和技术挑战，但多个正交振荡器的成功实现以及大型基因电路在单个细胞中的构建经验表明，细胞内耦合振荡器的实验验证是完全可行的。温度补偿、噪声控制和长期稳定性等问题的解决方案也正在涌现。

这项研究不仅为合成生物学提供了新的设计原则，也为理解自然生物振荡系统（如生物钟、细胞周期）的调控机制提供了新视角。随着进一步的理论和实验探索，细胞内耦合振荡器有望成为合成生物学迈向更高复杂性的关键推动力。